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纳米材料的发展历程以及各国纳米技术的发展现状Reporter:QiangZhangTime:2010-06-21Tutor:SuChen材料化学工程国家重点实验室StateKeyLaboratoryofMaterials-OrientedChemicalEngineeringNanjingUniversityofTechnology纳米技术概念的提出40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源。纳米科技的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。•纳米结构材料首次合成•1984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd,Fe,Cu等块状材料。随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。一、纳米材料的研究和发展历程•A1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告，轰动全球。从此开创了一个崭新的纳米世界。•每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。1991年元旦前夕，日本日立电子公司向公众展示了一个原子大小的新年祝词——“peace91”（和平91）。每个字母的高度均小于1.5纳米，它是把硫原子一个一个地从二硫化钼晶体上轰击出来写成的。美国商业机器公司的“IBM”是在-263℃下拼出的，而日立公司的祝词则是在室温下完成的。该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶段。1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。•1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2nm）硅原子的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽10nm的“中国”字符。汉字的大小只有几个纳米•白春礼院士•1988年4月12日，•中国第一台计算机•控制的STM研制成功。纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。第二阶段(1994年前)人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，复合纳米薄膜(0-2复合)。第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。小结：二、纳米科技的应用•光电材料•环境和能源•生物医学•航天和航空•军事FROM:纳米碳管•碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。•研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。•据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。H2H2光电材料集成电路一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。CPUSRAM静态随即存储器激光唱片肉眼看激光唱片(CompactDisk,CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起。•上图：Millipede-第一个应用于数据存储的纳米技术•下图：Millipede存储芯片的实验室原型。纳米存储器•英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计•芯片厂商英特尔正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。这种转变总有一天会消除芯片厂商面临的一些大问题。•芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。•芯片厂商在90年代从把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。预计碳纳米管是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路•2008年2月1日•亚利桑那州立大学DavidK.Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。•利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance)和很大的隧道磁电阻(tunnelingmagnetoresistance)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍。•1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。碳纳米管场发射显示器1999年韩国，2000年日本制成显示器样管1.汽车尾气含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。在化工领域中的应用2.拯救水资源•特种半导体纳米材料使海水淡化；•纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废水，降解石油……•利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。•将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.5~1%，即可充分屏蔽紫外线。•目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。3.走进你家里•纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。•杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。二个月不用洗——信不信由你纳米服装纳米泵人造红细胞•它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气。血液形态图在生物医学领域的应用纳米药包•诺贝尔奖得主斯莫利的预言；•美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片；•在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞；纳米技术与基因疗法的结合•瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。•用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位；果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性•成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。•用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。•科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。•小型摄像机：用于检测消化系统疾病。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature451,770-771(14February2008)|纳米机器人•“纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。•第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。•第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置•第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。纳米清洁工•科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。•纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、开胸手术。军事方面的应用•吸波：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。防弹衣•因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10—100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。“麻雀卫星”“蚊子导弹”“苍蝇飞机”“蚂蚁士兵”——美欲五年装备纳米武器“麻雀卫星”－美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比麻雀略大，重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成技术整合，具有可重组性和再生性，成本低，质量好，可靠性强。一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。“蚊子导弹”－由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。“苍蝇飞机”－这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况。这些纳米飞机可以悬停、飞行，敌方雷达根本发现不了它们。据说它还适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标。“蚂蚁士兵”－这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小,但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中,长期潜伏下来。一旦启用,这些“纳米士兵”就会各显神通:有的专门破坏敌方电子设备,使其短路、毁坏;有的充当爆破手...五角大楼的一次电脑模拟的纳米武器作战演习——“战争”发生在2010年，美国与敌方的飞机、坦克、大炮在战场上频繁调动。就在双方剑拔弩张之时，天空中出现了许多“苍蝇”、“黄蜂”等“小昆虫”，地面上也拥出数以万计的“蚂蚁”。这些“小动物”有的在战场上空盘旋，有的则直接进入敌方的指挥机关、雷达站、弹药库等。突然间，随着一声巨响，敌方弹药库率先发生爆炸。紧接着，敌方指挥通信系统也莫名其妙地炸开了花，在前线待命的飞机、坦克和航母，因接不到指令、失去弹药和能源补给，全都成了废铁。随着纳米技术的发展，人类也许能够研制出各种“难以有效防御”的先进武器，尖端的纳米技术有可能成为“本世纪人类面临的最大威胁之一”。•第一届纳米科学技术会议•1990年7月，在美国巴尔